CN109841410A - 一种量子点敏化太阳电池用掺杂碳基对电极的制备 - Google Patents

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赵蕾蕾
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Abstract

本发明公开了一种用于量子点敏化太阳能电池的掺杂碳材料基对电极的制备方法，该对电极所用的掺杂多孔碳材料是通过碳化含Zn和Co双金属的沸石咪唑骨架结构的金属有机框架材料得到。在此基础上，通过丝网印刷的方式，将该类碳材料负载在掺氟的SnO2透明导电玻璃上，制备量子点敏化太阳能电池用的对电极。由于该类碳材料的多孔性、大的比表面积、丰富的催化活性位点及高的导电率，保证了常用的聚硫电解液在所制备对电极中的有效扩散及电荷在界面间的高效传递，从而提高对电极对聚硫电对的催化性能，最终达到提高QDSCs光伏性能的目的。

Description

一种量子点敏化太阳电池用掺杂碳基对电极的制备
技术领域
本发明涉及一种基于Co，N-双掺杂碳材料的量子点敏化太阳能电池用对电极的制备，该类碳材料是由沸石咪唑骨架结构材料碳化得到。所制备的电极作为量子点敏化太阳能电池的对电极，能够有效催化聚硫电对的再生，从而提高所组装电池的光伏性能。
背景技术
量子点敏化太阳能电池(Quantum dot solar sensitized cells，QDSCs)由量子点敏化的TiO2膜光阳极、聚硫电解液和对电极组成。对电极作为QDSCs的重要组成部分，负责收集外电路电子，同时传输电子并催化聚硫电解液中氧化电对的还原。对电极的性能直接影响电池的光伏性能尤其是光电转化效率。
金属硫属化合物类对电极特别是CuxS对电极是QDSCs中最常用的电极，其中Cu2S对电极因对聚硫电解液具有较高的催化活性而备受欢迎。但是这类对电极因材料本身容易发生光致解离而导致光阳极的污染，此外其较小的比表面积和较差的稳定性也限制了此类对电极的发展。碳材料因其低廉的成本，良好的导电性和耐用性近年来成为QDSCs对电极用材料的研究的热点。介孔碳、碳泡沫、碳纤维、石墨烯等材料已被作为聚硫电对催化剂，用于制备QDSCs用对电极。然而，因所用碳材料本身较小的比表面积及相对较低的催化活性，已报道碳材料基对电极所组装电池的光电转换效率一直远低于最常用的Cu2S基对电极所组装的电池效率。因此采用具有丰富的催化活性位点、大的比表面积及高的导电率多孔碳材料来制备对电极有望解决目前碳基对电极对聚硫电对的催化活性，从而提高所组装QDSC的光伏性能。
沸石咪唑骨架结构材料(Zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs)是一类多孔晶体材料，因其结构多样性和配体可修饰性而成为制备均匀掺杂碳材料的前驱体。其非金属(N)和金属原子(Zn和Co)均匀的分布在ZIFs材料的三维结构内，由这种材料碳化得到的Co，N-双掺杂的碳材料(Co，N-C)不仅具有丰富的催化活性位点、大的比表面积及多孔性，而且还有具有较高的导电率及良好的亲水性。基于此类碳材料制备的新型对电极使得常用的聚硫电解液在对电极中的有效扩散及电荷在界面间的高效传递成为可能，显著提高了基于碳材料对电极的光伏性能。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种基于掺杂碳材料新型对电极的制备方法，第二个目的是将这种新型的对电极应用到QDSCs中。
附图说明
附图1为Co，N-C材料的透射电镜图。
附图2为Co，N-C材料的X-射线衍射图谱。
附图3为Co，N-C材料的拉曼光谱图。
附图4为Co，N-C/FTO为对电极组装的QDSCs的J-V曲线图及光电参数。
附图5为Co，N-C/FTO对电极的电化学阻抗图、拟合电路图及阻抗参数。
附图6为Co，N-C/FTO对电极的塔菲尔极化曲线图。
附图7为Co，N-C/FTO对电极的循环伏安图。
具体实施方式
以下是对发明内容进行的详细解释，具体实施方式不限制于本发明，发明中组装电池所采用的敏化剂为Zn-Cu-In-Se QDs，其他QDs同样适用。
一、合成制备对电极所需要Co，N-C碳材料
A溶液：将1.627g六水合硝酸锌和0.053g六水合硝酸钴超声溶于80mL 甲醇，B溶液：将3.7g二甲基咪唑超声溶于80mL甲醇，搅拌条件下将B溶液加入到A溶液中常温搅拌反应24h，将反应液离心(4000r，6min)，用甲醇洗涤 3次，然后60℃烘干得到紫色ZIFs前驱体。
取500mg前驱体于瓷舟内，放在管式炉内200℃真空活化4h，以5℃/min 的升温速率经过140min升温至900℃，900℃裂解碳化120min得到碳纳米材料。
将碳化后的材料用硫酸80℃处理5h，相继用水和乙醇各洗涤3次，50℃烘干得到Co，N-C的碳材料。
二、对电极的制备
1)粘合剂制备
取8mL松油醇，500μL异丙醇钛，200mg乙基纤维素于透明玻璃瓶中搅拌至完全溶解，呈亮黄色，粘合剂制备完成。
2)取50mg Co，N-C的碳材料研磨成细粉末，加入160μL粘合剂，研磨至无颗粒感，通过丝网印刷技术刷在干净的FTO导电玻璃上，每刷完一层放在烘箱里烘干再继续刷下一层，刷完三层后放在瓷舟内，并转移至马弗炉中在Ar气氛中450℃焙烧30min，冷却至室温方可使用。
三、电池的组装
光阳极的制备是将水溶性量子点通过配体诱导自组装技术吸附到TiO2膜上，然后通过连续离交换吸附法对光阳极进行ZnS包覆处理。将Zn-Cu-In-Se 量子点敏化的光阳极和制备的Co，N-C/FTO对电极用沙林树脂封装起来，注入聚硫电解液，电池组装完成。
四、电池光电性能测试
电化学阻抗测试(EIS)和塔菲尔极化曲线测试(Tafel)均是由两个完全一致的对称电极组装成一个模拟电池，采用Zahner电化学工作站测试，其中EIS 测试是在黑暗条件下测得，测试频率从100mHz到100kHz，扰动偏压设为10 mV，循环伏安(CV)和EIS，Tafel采用同一台仪器在三电极体系中测试得到 (辅助电极：铂丝电极，参比电极：标准甘汞电极，工作电极：Co，N-C/FTO对电极)。样品活性面积为0.36cm2。电池的光电性能电流-电压(J-V)曲线测试采用Keithley 2400型号万用表扫描测得，标准太阳光模拟器采用300W氙灯(Oriel，Model No.94022A)照射获得，并使用NREL标准硅电池将光强校准至 1000W/m2，每个电池的有效受光面积为0.235cm2。

Claims (3)

1.本专利公开了一种用于量子点敏化太阳能电池(Quantum dot solar sensitizedcells，QDSCs)的掺杂碳材料基对电极的制备方法，该对电极所用的掺杂的多孔碳材料是通过沸石咪唑骨架结构材料(Zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs)碳化得到。在此基础上，通过丝网印刷的方式，将该类碳材料负载在掺氟的SnO2透明导电玻璃(FTO)上，制备QDSCs用的对电极。由于该类碳材料的多孔性、大的比表面积、丰富的催化活性位点及高的导电率，保证了常用的聚硫电解液在所制备对电极中的有效扩散及电荷在界面间的高效传递，从而提高对电极对聚硫电对的催化性能，最终达到提高QDSCs光伏性能的目的。
2.根据权利要求1，其特征在于对电极用碳材料，是由碳化含Zn和Co双金属的沸石咪唑骨架结构(ZIF-8)的MOF材料，制备Co，N-双掺杂原子的多孔碳材料(Co，N-C)。
3.根据权利要求1，所制备的碳基电极应用于QDSCs。
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